一种二氧化碳饱和及水头反压饱和的动三轴实验仪器的制作方法

本发明涉及一种二氧化碳饱和及水头反压饱和的动三轴实验仪器，属于岩土工程实验装置技术领域。

背景技术：

大多数的尾矿坝都采用上游法修建，其浸润线较高，坝体大部分处于饱和状态，一些学者通过实验指出饱和尾矿料具有不稳定结构，地震作用下易产生液化。与此同时，堆放在尾矿库中的矿渣大多是一种未经过风化和变质作用的孔隙大而密度小并且具有低塑性的细颗粒，在动力荷载作用下极易发生液化从而丧失强度。尾矿堆积坝的结构具有明显的各向异性、非均质性和时空变异性，地震具有随机性、突发性和强破坏性，使得尾矿坝尾砂的抗震问题十分复杂。

为了进一步探求尾矿坝地震反应特征与破坏机理，发明成果不仅可为实际工程的设计和施工提供指导，也可为改善位于地震区的尾矿库的安全形势提供技术支撑。以尾矿库中最常见的且受地震作用影响较大的堆坝材料——尾粉砂和尾粉土为研究对象，采用动三轴试验对它们在两种不同密度条件下的动力特性进行测试和对比分析，获得了尾粉砂和尾粉土的动力特性及密度对它们的影响。动三轴试验机可以实现轴向应力、侧向应力(或围压)、孔隙水的静态或动态施加，具有幅频和波形控制功能。为更准确的研究尾矿堆坝材料在不同密度下的动力强度反应及液化过程，为土工抗震防震提供理论依据。国内对尾矿动力特性的研究主要采用动三轴试验，因此发明该动三轴试验装置来提高试验的准确度，增加工作效率。

在以往的设计生产中，动三轴试验机遇到了各种各样的标定，很难准确的测量，导致实验结果精度不够，并且操作繁琐不方便等一系列问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种二氧化碳饱和及水头反压饱和的动三轴实验仪器，该仪器可以针对尾矿坝堆积尾料进行不同密度，不同围压下的液化试验，研究不同尾矿料的饱和固结规律。同时，该发明装置通过测定尾料的b值，来检验试验材料是否充分饱和。该设备能更好的获得尾矿坝堆积料的动力强度参数。

本发明采用的技术方案是：一种二氧化碳饱和及水头反压饱和的动三轴实验仪器，包括玻璃护罩装置、进水排水室装置、动三轴底座装置、应力加载装置；

所述的玻璃护罩装置包括玻璃护罩13、数据接收线保护轴14、压力室支撑轴18、数据接收线21、二氧化碳导气管9、顶帽44和塑料软管31、玻璃护罩顶板；压力室支撑轴18安装在玻璃护罩顶板下方，玻璃护罩13上端与玻璃护罩顶板连接且位于压力室支撑轴18内部，玻璃护罩顶板中心设有通孔，一侧设有导气管通孔，二氧化碳导气管9的一端插入导气管通孔后伸入玻璃护罩13内，中控的数据接收线保护轴14安装在玻璃护罩顶板中心通孔的上方，数据接收线21一端与控制计算机连接，另一端穿过数据接收线保护轴14后伸入玻璃护罩13内，实验试样安装在玻璃护罩13内，顶帽44放置于实验试样上端，塑料软管31镶嵌在顶帽44侧部；

所述的进水排水室装置包括进水排水室2，进水排水开关10，导水软管6，水泵16，蓄水桶17，围压开关阀门15，反压开关阀门22，密闭圈25，孔压接口27，围压接口28，试样升降台24，震动器42，升降台通水器43，进水排水室底板37、进水排水室顶板；进水排水室底板37与进水排水室顶板之间围成进水排水室2，进水排水室2设有进水排水室中心通孔20，进水排水室顶板上与玻璃护罩13接触处设有密闭圈25，进水排水室2的外部侧壁上设有与塑料软管31相连的备用接口8，试样升降台24滑动安装在升降底座20的中心通孔内，中空试样升降台24的内部套有中空的震动器42，震动器42上部放置中空的升降台通水器43，试样升降台24、升降台通水器43中心通孔的两侧对应处均设有孔隙水排水管通孔48，进水排水室中心通孔20的底部两侧壁上分别设有围压接口28和反压接口27，围压接口28和反压接口27的内侧端通过软管与试样升降台24下部的孔隙水排水管通孔48连通，围压接口28和反压接口27的外侧端分别通过软管与进水排水室2外部表体上的围压开关阀门15和反压开关阀门22连接，进水排水装置右边侧面是设有进水排水开关10，进水排水开关10通过导水软管6与水泵16连接，水泵16放在蓄水桶17中；

所述的动三轴底座装置包括动三轴底座外壳11、总开关7、底座轮胎26、电源控制器34、连接电源线35、动力加压轴38、动力加压器39、主轴抬升轴40、加压底座53，动三轴底座外壳11位于中空进水排水室底板37下方，动三轴底座外壳11的外侧面安装总开关7，内侧面安装有电源控制器34，总开关7与电源控制器34的一端相连接，控制电源器34的另一端与连接电源线35一端相连，加压底座53安装在动三轴底座外壳11的底板上，加压底座53上方固定有动力加压器39，连接电源线35的一端穿过加压底座53后与动力加压器39连接，动力加压器39的顶端插入动力加压轴38，动力加压轴38的顶部与主轴抬升轴40下部连接，主轴抬升轴40的上部进水排水室中心通孔20中的震动器42的中心通孔抵住升降台通水器43的底部，实验试样47放置在升降台通水器43上方，动三轴底座外壳11底部安装有底座轮胎26；

所述的应力加载装置包括反压加载装置4、围压加载装置5、围压反压调节器12；围压加载装置5和反压加载装置4底部分别通过数据线与围压反压调节器12相连接，围压反压调节器12上设有围压反压调节键33，围压加载装置5的顶部通过一根软管连接在围压开关阀门15，反压加载装置4的顶部通过一根软管连接在反压开阀门22上。

具体地，所述的反压加载装置4和围压加载装置5的结构相同，包括动力弹簧32、围压加载器弹簧46、固定金属保护壳45、可移动金属保护壳55、加载装置两侧板、加载装置底板、水平支板；加载装置两侧板安装在加载装置底板的两侧端，水平支板支撑在加载装置两侧板之间，固定金属保护壳45固定安装在水平支板与加载装置底板之间，可移动金属保护壳55包括可滑动安装在水平支板与加载装置底板之间，围压加载器弹簧46左侧与加载装置左侧板接触，右侧穿过固定金属保护壳45后顶住可移动金属保护壳55，动力弹簧32连接在可移动金属保护壳55与加载装置右侧板之间。

优选地，所述的玻璃护罩顶板的四周设有支撑轴固定口23，压力室支撑轴18的上部穿过支撑轴固定口23后用支撑轴螺丝帽29固定。

优选地，所述的玻璃护罩顶板中心通孔的上方安装有中空的固定重坨54，数据接收线保护轴14安装在固定重坨54上方。

优选地，所述的备用接口8有两个。

优选地，所述的动三轴底座外壳11内部侧壁安装有散热风扇36。

优选地，所述的动力加压器39、主轴抬升轴40、加压底座53安装在轴向应力加载装置保护壳52内，轴向应力加载装置保护壳52的上部嵌入轴向抬升保护环41，主轴抬升轴40旋转连接在轴向抬升保护环41上，内部接入动力加压轴38，加压底座53与动力加压器39之间安装有中空的加压隔板51。

具体地，所述的实验试样47包括试样橡皮套19、试样尾砂或尾土、透水石49、通气块50，通气块50放置在试样橡皮套19底部，透水石49放置在试样橡皮套19顶部，试样尾砂或尾土填充在透水石49、通气块50之间。

本发明的有益效果是：

1)能够同时对试样做动、静力试验，数据精准；

2)可移动性强，便于装置的移动转移；

3)能够通过轴向应力加载装置对试样进行轴向力加载，更好的控制力的大小；

4)试样装取的橡皮套和蒸馏水在使用正确的情况下可以反复使用，节约实验成本；

5)相比现有的技术设备，本发明操作简单，数据分析准确，各零部件之间安装简便；

6)实验仪器的清洁便利，不易进灰进水，操作结束后简单清理即可。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为玻璃护罩装置、进水排水室装置的内部剖面图；

图3为应力加载装置结构示意图；

图4为动三轴底座装置的结构示意图；

图5为加压隔板、动力加压器、加压底座的爆炸图；

图6为玻璃护罩装置、进水排水室装置外部结构示意图；

图7为图6中玻璃护罩顶板的俯视图；

图8为进水排水室装置俯视示意图；

图9为图8中试样升降台、震动器、升降台通水器的爆炸图。

图中各标号为：1-信号接收器；2-进水排水室；3-二氧化碳气罐；4-反压加载装置；5-围压加载装置；6-导水软管；7-总开关；8-备用接口；9-二氧化碳导气管；10-进水排水开关；11-动三轴底座外壳；12-围压调节器；13-玻璃护罩；14-数据线保护轴；15-围压开关阀门；16-水泵；17-蓄水桶；18-压力室支撑轴；19-试样橡皮套；20-进水排水室中心通孔；21-数据接收线；22-反压开关阀门；23-支撑轴固定口；24-试样升降台；25-密闭圈；26-底座轮胎；27-孔压接口；28-围压接口；29-支撑轴螺丝帽；30-信号接收器开关；31-塑料软管；32-动力弹簧；33-围压调节键；34-电源控制器；35-连接电源线；36-散热风扇；37-进水排水室底板；38-动力加压轴；39-动力加压器；40-主轴抬升轴；41-轴向抬升保护环；42-震动器；43-升降台通水器；44-顶帽；45-固定金属保护壳；46-围压加载器弹簧；47-实验试样；48-孔隙水排水管口；49-透水石；50-通气块；51-加压隔板；52-轴向应力加载装置保护壳；53-加压底座；54-固定重坨，55-可移动金属保护壳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细阐述：

实施例1：如图1-9所示，一种二氧化碳饱和及水头反压饱和的动三轴实验仪器，包括玻璃护罩装置、进水排水室装置、动三轴底座装置、应力加载装置；

所述的玻璃护罩装置包括玻璃护罩13、数据接收线保护轴14、压力室支撑轴18、数据接收线21、二氧化碳导气管9、顶帽44和塑料软管31、玻璃护罩顶板；压力室支撑轴18安装在玻璃护罩顶板下方，玻璃护罩13上端与玻璃护罩顶板连接且位于压力室支撑轴18内部，玻璃护罩顶板中心设有通孔，一侧设有导气管通孔，二氧化碳导气管9的一端插入导气管通孔后伸入玻璃护罩13内，中控的数据接收线保护轴14安装在玻璃护罩顶板中心通孔的上方，数据接收线21一端与控制计算机连接，另一端穿过数据接收线保护轴14后伸入玻璃护罩13内，实验试样安装在玻璃护罩13内，顶帽44放置于实验试样上端，塑料软管31镶嵌在顶帽44侧部。

所述的数据接收21与数据线保护轴14是配套的，将数据接收线21插入数据线保护轴14并通过固定重坨54旋转拧紧固定在玻璃护罩顶板上，用来采集实验数据细微数据变化并连接计算机绘制成图形，数据线保护轴14，数据线保护轴14其作用是保护数据线的灵敏度，防止使用时数据线折损，导致试验误差，固定重坨54的作用就是加固数据线保护轴使其不易松动造成数据接收误差较大。玻璃护罩13的作用是为了密封试样并且不会漏水影响试样结果，而压力室支撑轴18与支撑轴螺丝帽29通过玻璃护罩上部圆孔紧扣连接并插入到支撑轴固定口23，总共与四根压力室支撑轴18，其作用是将玻璃护罩装置整体固定在进水排水室上，在实验时，通过拧紧支撑轴螺丝帽29，使玻璃护罩装置与进水排水室严丝合缝不漏水。在进行实验时往玻璃护罩内注水加压不会泄露。二氧化碳导气管9在玻璃护罩顶部通过一个固定口连接，其作用就是在注水时排出多余的二氧化碳气体，因为注水时玻璃护罩是完全密闭的，只有通过一个导口排出多余的二氧化碳气体才能完全把水注满。顶帽44在玻璃护罩内部顶端通过固定重坨连接数据接收线21，在实验时将顶帽44固定在实验试样上部，可以测出实验数据，顶帽上的塑料软管31镶嵌在顶帽侧部，并与备用接口8相连接，导出实验试样内部多余气体和液体。使实验数据更加准确。

所述的进水排水室装置包括进水排水室2，进水排水开关10，导水软管6，水泵16，蓄水桶17，围压开关阀门15，反压开关阀门22，密闭圈25，孔压接口27，围压接口28，试样升降台24，震动器42，升降台通水器43，进水排水室底板37、进水排水室顶板；进水排水室底板37与进水排水室顶板之间围成进水排水室2，进水排水室2设有进水排水室中心通孔20，进水排水室顶板上与玻璃护罩13接触处设有密闭圈25，进水排水室2的外部侧壁上设有与塑料软管31相连的备用接口8，试样升降台24滑动安装在进水排水室中心通孔20，中空试样升降台24的内部套有中空的震动器42，震动器42上部放置中空的升降台通水器43，试样升降台24、升降台通水器43中心通孔的两侧对应处均设有孔隙水排水管通孔48，进水排水室中心通孔20的底部两侧壁上分别设有围压接口28和反压接口27，围压接口28和反压接口27的内侧端通过软管与试样升降台24下部的孔隙水排水管通孔48连通，围压接口28和反压接口27的外侧端分别通过软管与进水排水室2外部表体上的围压开关阀门15和反压开关阀门22连接，进水排水装置右边侧面是设有进水排水开关10，进水排水开关10通过导水软管6与小型水泵16连接，小型水泵16放在蓄水桶17中。进水排水室装置起到在实验室起到升降实验试样，进水排水等作用。

进水排水室2的外部由两个备用接口8，它的作用是做实验时，与顶帽44上的塑料软管31相连接，外部用导管接出多余的气体和液体。围压开关阀门15与反压开关阀门22固定在进水排水室2外部表体上，其作用是内部通过软管连接围压接口28和孔压接口27，外部连接围压加载装置5和反压加载装置4，其作用是连接各个接口保障实验时围压反压的加载和接收。密闭圈25套在进水排水室2的顶端外部，其作用是当进水排水室2与玻璃护罩13相连接时，增加密闭性，防止漏水漏气。主轴抬升轴40顶部抵住升降台通水器43，当动力加压轴38运转的时候产生各种频率的震动，模拟尾砂地震液化时的现象。孔隙水排水管通孔48的作用是连接整体升降时可以让水通过升降台。进水排水室底板37放置于进水排水室2于动三轴底座外壳11之间，其作用是连接两个装置，并起到了放置多余工具及其稳定的作用。进水排水装置右边侧面是进水排水开关10，它也是固定接口固定在进水排水室，它的作用是需要进水或排水时及时打开或关闭开关，使水可以进入进水排水室以及玻璃护罩13中。蓄水桶17中，存储的水都是蒸馏水。

所述的动三轴底座装置包括动三轴底座外壳11、总开关7、底座轮胎26、电源控制器34、连接电源线35、动力加压轴38、动力加压器39、主轴抬升轴40、轴向抬升保护环41、轴向应力加载装置保护壳52、加压底座53，动三轴底座外壳11位于中空进水排水室底板37下方，动三轴底座外壳11的外侧面安装总开关7，内侧面安装有电源控制器34，总开关7与电源控制器34的一端相连接，控制电源器34的另一端与连接电源线35一端相连，加压底座53安装在动三轴底座外壳11的底板上，加压底座53安装在轴向应力加载装置保护壳52内，轴向应力加载装置保护壳52的上部嵌入轴向抬升保护环41，加压底座53上方固定有动力加压器39，连接电源线35的一端穿过加压底座53后与动力加压器39连接，动力加压器39的顶端插入动力加压轴38，动力加压轴38的顶部与主轴抬升轴40下部连接，主轴抬升轴40的上部进水排水室中心通孔20中的震动器42的中心通孔抵住升降台通水器43的底部，实验试样47放置在升降台通水器43上方，动三轴底座外壳11底部安装有底座轮胎26。动三轴底座装置起到连接进水排水室的试样升降台并提供动力以及升降作用，并为整个实验设备做稳定作用。

连接电源线35的作用是为应力抬升提供动力。底座轮胎26焊在动三轴底座外壳下部四个角，它的作用是实验时，方便移动实验设备，便捷移动位置。加压底座53上部放置中空的加压隔板51，其作用是稳定加压底座53和动力加压器39之间的连接，以及加压时产生的动力震动，防止设备损坏，加压隔板51上部通过螺丝钉固定动力加压器39，动力加压器39的顶端插入动力加压轴38，动力加压器39的底部通过穿过加压隔板51与加压底座53的导线与连接电源线35相连，其作用在于接通电源时可以产生轴向动力与震动，为进水排水室的试样升降台24相连接提供上升下降的动力。动力加压器39是可以轻微伸张收缩的装置。轴向应力加载装置保护壳52的上部嵌入一个轴向抬升保护环41，其作用是保护伸出来的动力加压轴38，主轴抬升轴40旋转连接在轴向抬升保护环41上，内部接入动力加压轴38形成一体的动力装置。为实验时的抬升下降提供动力的保护。主轴抬升轴40的作用是为试样抬升下降提供动力。

所述的应力加载装置包括反压加载装置4、围压加载装置5、围压反压调节器12；围压加载装置5和反压加载装置4底部分别通过数据线与围压反压调节器12相连接，围压反压调节器12上设有围压反压调节建33，围压加载装置5的顶部通过一根软管连接在围压开关阀门15，反压加载装置4的顶部通过一根软管连接在反压开阀门22上。应力加载装置的作用是为实验试样提供应力加载，在实验中能够提供所需的围压反压，达到实验目的。通过围压反压调节键33控制围压加载装置5和反压加载装置4来加载围压和反压。围压加载装置5的尾部通过一根软管连接在围压开关阀门15，其作用在于施加围压。反压加载装置4的尾部通过一根软管连接在反压开阀门22上，其作用在于施加反压。

进一步地，所述的反压加载装置4和围压加载装置5的结构相同，包括动力弹簧32、围压加载器弹簧46、固定金属保护壳45、可移动金属保护壳55、加载装置两侧板、加载装置底板、水平支板；加载装置两侧板安装在加载装置底板的两侧端，水平支板支撑在加载装置两侧板之间，固定金属保护壳45固定安装在水平支板与加载装置底板之间，可移动金属保护壳55包括可滑动安装在水平支板与加载装置底板之间，围压加载器弹簧46左侧与加载装置左侧板接触，右侧穿过固定金属保护壳45后连接可移动金属保护壳55，动力弹簧32连接在可移动金属保护壳55与加载装置右侧板之间。具体工作时，围压反压调节键33发出指令，使围压加载器弹簧46伸缩(具体如何使弹簧收缩是现有技术可以实现的，可以通过多种方式来实现，在此不再详细说明)，进而推动可移动金属保护壳55移动，可移动金属保护壳55带动动力弹簧32实现伸缩。

进一步地，所述的玻璃护罩顶板的四周设有支撑轴固定口23，压力室支撑轴18的上部穿过支撑轴固定口23后用支撑轴螺丝帽29固定。

进一步地，所述的玻璃护罩顶板中心通孔的上方安装有中空的固定重坨54，数据接收线保护轴14安装在固定重坨54上方。

进一步地，所述的备用接口8有两个。

进一步地，所述的动三轴底座外壳11内部侧壁还用螺丝钉安装了安装有散热风扇36，其作用在于机器设备运行时，会产生大量的热量，及时排出热量，防止实验设备因为温度过高导致实验数据不稳定以及防止实验设备损坏。

进一步地，所述的动力加压器39、主轴抬升轴40、加压底座53安装在轴向应力加载装置保护壳52内，轴向应力加载装置保护壳52的上部嵌入轴向抬升保护环41，主轴抬升轴40旋转连接在轴向抬升保护环41上，内部接入动力加压轴38，加压底座53与动力加压器39之间安装有中空的加压隔板51。

进一步地，所述的实验试样47包括试样橡皮套19、试样尾砂或尾土、透水石49、通气块50，通气块50放置在试样橡皮套19底部，透水石49放置在试样橡皮套19顶部，试样尾砂或尾土填充在透水石49、通气块50之间。

为了能够保证试验试样的实验数据的密闭性，本发明设计了玻璃护罩装置。为了保证实验仪器的可移动性与便捷性，本发明设计了移动轮胎装置。为了保护数据线的灵敏性，本发明设计了数据线保护装置。为了围压能够施加到试样上，本发明设计了围压加载装置。为了反压能够施加到试样上，本发明设计了反压加载装置。为了水头饱和的实验过程，本发明设计了进出水装置包括水泵16和蓄水桶17和导水软管6。

本发明试验仪器的操作为：

需要提前准备的工具材料：橡胶管套，剪刀，a4纸，小型吸尘器，蒸馏水一桶，固定板，橡皮筋，二氧化碳气罐3等。

第一步：准备试验试样，以高度100mm，直径50mm试样为例，用剪刀剪一段橡皮胶套，一头套上通气块50，放在升降台通水器43上，再用a4纸裁剪一个圆洞，套到橡皮套上，防止装尾砂试样时尾砂撒漏，用橡皮筋固定住底部，用固定板套住橡皮胶套并开始装试样尾砂或尾土(参考土工试验规范)，同时用小棍捣实试样，确保试样均匀，最上端再放置一个透水石49，并将橡皮套最上端翻过来用橡皮筋绑牢。

第二步：检测试样是否破损，安装顶帽44在试样上，但要留有一点距离，不要顶到。安装玻璃护罩13，并将压力室支撑轴18插入玻璃护罩13与进水排水室2之间的支撑轴固定口23，先不拧紧螺丝帽，通过反压加载装置4向试样施加一个-20kp到-10kp的反压压力。观测五分钟后电脑上显示的孔压变化图，如果没有变化或者变化不大，则认为试样没有破坏。

第三步：再确定试样没有破坏的情况下，手动拧紧玻璃护罩13上的螺丝帽，固定好压力室支撑轴18并通过电脑控制给一个5kn的轴向压力，让试样与顶帽接触到。

第四步：打开底座平板侧面的水泵16开关，向玻璃护罩13中通入蒸馏水，并且将二氧化碳导气管9放入一个水瓶中，当二氧化碳导气管9不再排气即为加水完成。并且打开围压开关阀门15，通过围压加载装置5和围压反压调节器12向试样施加20kpa左右的围压，等到围压稳定时，施加0-15kpa的反压，准备进行二氧化碳饱和。

第五步：使用二氧化碳气罐3用软管连接到反压开关阀门22，施加5-10kpa的反压，使二氧化碳将试样中的空气排出，二氧化碳饱和的时间为30分钟。接下来进行水头反压饱和，将一根软管接在备用接口8上，连接围压加载装置5施加一个10kpa的压力，当备用接口连接的软管没有水排出即为饱和完成。

第六步：检测b值，施加20kpa的围压(此时的围压一定要大于反压)，观察电脑上的围压增加后的b值变化，推荐b值达到0.9左右即为成功。

第七步：完成试验后，首先卸载掉反压，防止试验爆裂，接着卸载掉围压，打开进出水开关10进行放水，并打开玻璃护罩13，取下试样并取下橡胶管套，使用小型吸尘器进行台面清洁。关闭各个仪器开关。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。